우리은하(태양계의 위치)
[구상 성단(球狀星團)은 은하를 중심으로 궤도를 가진 구형을 이룬 별들의 집단이다.
구상성단은 매우 단단하게 중력에 의해 묶여있기 때문에 구모양을 하고 있고 상대적으로 중심쪽에서 별들의 밀도가 높다.
이러한 구상성단이란 이름은 라틴어로 작은 구체를 의미하는 'gloubulus'에서부터 비롯되었다.
구상성단은 때때로 간단하게 작은 구체라고 알려졌다.
은하 헤일로(은하 원반의 주위를 둘러싸는 구 모양의 영역.)에서 찾은 구상성단들은 은하의 원반에서 발견되는 덜 밀집된 별무리와
산개성단(수십 또는 수천 개의 항성(恒星)이 불규칙하게 모인 집단.)들 보다 더 오래되고 상당히 많은 별들을 포함한다.
구상 성단은 매우 흔하다.
일반적으로 우리은하에 158개 정도가 있는데 약 10~20개는 아직 발견되지 않았다.
큰 은하계에는 더 많은 수의 구상 성단이 있다.
예를 들어, 안드로메다 은하계에는 500개가 있을 가능성이 있다.
M87과 같은 몇몇 거대한 타원 은하는 1만 개 정도의 구상 성단으로 이루어진 것들도 있다.
이러한 구상성단들은 40kpc(약 131,000광년) 혹은 그 이상으로 은하 밖에서 큰 반지름으로 궤도를 돈다.
은하군에서 충분한 질량을 가진 모든 은하들은 결합된 구상성단들의 그룹을 가지고 있고 조사된 대부분의 큰 은하들은 구상성단 군을 소유하고 있는 것이 발견되어 왔다.
궁수자리 왜성과 큰개자리 왜성의 은하들은 그들에게 연합된 plomar12와 같은 구상성단을 우리은하에게로 주고있는 과정인 것으로 나타났다.
이것은 우리은하가 얼마나 많은 구상성단들을 획득하였는지를 논증할 수 있다.
구상성단들이 은하에서 몇몇의 처음 생긴 별들을 포함할지라도, 은하의 진화에서 그들의 발단과 역할은 여전히 불분명하다.
구상성단들이 왜소타원은하들과 다르다는 것과 분리된 은하라기 보다 기원은하에서 별의 생성에 한 부분으로 여기듯이 형성되었다는 것은 분명하게 나타난다.
그러나 최근 천문학자들의 추측은 구상성단과 왜소타원은하들은 분명하게 분리된 것이 아닐지도 모르고 별개의 형태라고 제안한다.]
옛 사람들은 밤하늘의 천체를 보고 처음에는 고정되어 있다고 생각하였다.
그 후 조금씩 문명이 발달하고 사물을 판단하는 사고가 발달함에 따라 몇몇 밝은 별들이 조금씩 이동하는 것을 이해했다.
이때 본 것이 바로 행성이다. 5개의 행성들이 일찍 사람들의 눈에 띄었다.
사람들이 하늘을 보는 시각이 차츰 밝아지고 천문학에 대한 식견이 넓어진 고대 그리스 시대에는
지구를 중심으로 모든 천체가 돌고 있다는 지구중심설, 즉 천동설(天動說)이 대두되었다.
16세기에 코페르니쿠스의 태양중심설, 즉 지동설(地動說)이 제기될 때까지 천동설은 전 지구를 지배하고
있었다.
태양계의 기원에 대해서 지금까지 많은 설(說)이 주장되었는데 크게 두 가지 범주로 나눌 수 있다.
첫째는 태양의 탄생과 진화 과정에서 태양계가 함께 형성되었다는 성운설(星雲說), 전자설(電磁說), 난류설(暖流說) 등이고,
둘째는 태양과 다른 천체가 우연히 만나거나, 혹은 충돌과 같은 우연적인 사건이 일어나 생겼다는
소행성설(小行星說), 조석설(潮汐說), 쌍성설(雙星說) 등이다.
그 외에 슈미트설(Otto Schmidt, 1944), 휘플설(Fred Whipple, 1947~2004),
호일설(Fred Hoyle, 1955) 등이 제안되었다.
성운설은 1755년 독일의 철학자
칸트(Immanuel Kant, 1724~1804)가 주장한 이후
1796년 프랑스의 라플라스(Pierre Simon de Laplace, 1749~1827)가 다시 수정한 이론이다.
이 이론에 따르면 태양계는 천천히 자전하는 고온의 가스 덩어리에서 시작했다고 한다.
1942~1946년 스웨덴의 알벤(Hannes Alfven, 1908~1995)은 태양의 자기장을 근거로 전자설을 발표했는데,
과거 태양 주위는 비어 있었으나 고체 미립자로 된 소규모 우주 구름이 나타났다가
태양의 자기장과 중력에 의해 그 일부가 붙잡혀 각 행성들이 생성되었다는
설이다.
난류설은 1944년 독일의 바이츠제커(Carl Friedrich von Weizsacker,
1912 출생)가 발표한 것으로,
초창기 태양은 수소와 헬륨 등이 주성분인 가스 원반에 둘러싸여 있었다는 것이다.
이 가스 원반은 내부에 난류가 있어서 자전이 모두 똑같지 않았다고 한다.
이 때문에 군데군데 소용돌이가 생기고 소용돌이와 소용돌이 사이에 물질이 모여 작은 덩어리를 만들었고, 이것들이 합쳐져서 행성이 되었다는 설이다.
대체로 태양계는 약 46억 년 전(태양의 나이 50억)에 시작되었다고 추정하고 있다.
이러한 태양계 형성에 관한 여러 가지 학설 중 가장 대표적인 것이 성운설이다.
성운설에 따르면 우리 은하의 나선 팔에서 먼지와 가스로 이루어진 구름이 중력 붕괴를 일으키고 수축을 계속했는데,
그 수축이 진행되면서 회전 속도가 빨라져 구름들이 원반 형태를 갖추게 된 것이라고 한다.
수축이 어떤 상태에 도달하면 중심부의 온도와 밀도가 높아져서 핵융합 반응을 일으키게 된다.
이때 수축된 질량의 대부분이 모여 태양을 형성하였고 8개의 행성을 비롯한 여러 천체들이 만들어졌다는
것이다.
8개의 행성 끄트머리에 있는 명왕성까지의 평균 거리는 60억㎞나 되고 그 바깥에 카이퍼벨트와 오르트 구름이 더 있다.
그러므로 태양계는 우리가 생각하는 것보다 훨씬 규모가 크다.
앞으로 수억 년이 지나면 태양은 자신의 자식들과 손자들을 붙잡아 둘 수 있는 힘을 점차 잃게 될 것이라고 한다.
그때쯤이면 태양계에는 오직 태양만 홀로 남을 것이라고 한다.
그리고 태양도 나중에는 쓸쓸히 사라질 것이다.
우리가 살고 있는 태양계는 은하계의 중심으로부터 약 2만
5000~2만 8000광년 떨어진 변두리에 위치하고 있다.
우리 은하에 대한 태양계의 공전 주기는 약 2억 2600만 년이며, 공전 속도는 217㎞/s라고 한다.
태양계는 현재 우리 은하의 오리온 나선팔의 안쪽 가장자리에 속하며, 국부 성간 구름을 통과 중이라고 한다.
심장부에 있지 않고 변두리에 있는 것이 오히려 잘된 일이다. 왜냐하면 우리 은하의 중심핵 부근은 굉장히 소란스럽기 때문이다.
여기서는 수많은 별들이 빠른 속도로 만들어지기도 하고 생명을 끝내는 초신성 폭발도 자주 일어난다.
이때 방출되는 엄청난 에너지(감마선)는 주변의 모든 행성들에게 영향을 끼친다.
또한 은하의 중심부에는 태양 질량의 260만 배에 이르는 블랙홀도 있다고 한다.
그러므로 우리 태양계가 있는 지금 이 자리가 우리 지구인이 살아가기에 아주 적합한 조용한 시골 동네인 셈이다.
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태양계
[ solar system , 太陽系 ]
태양계에는 항성인 태양과 그 가까이로부터 수성, 금성, 지구, 화성,
즉 지구형 행성이 순서대로 나열되어 있으며 그 다음에 유성대(asteroid belt)가 존재한다.
이후 목성, 토성, 천왕성, 해왕성으로 구성된 목성형 행성이 나열되어서 총 8개의 행성이 존재한다.
그 바깥에는 얼음덩어리들과 미행성들로 구성된 카이퍼 띠(Kuiper belt), 원반대역(scattered disk)이 있으며, 가장 바깥쪽에는 오르트구름(Oort cloud)이 있다.
유성체, 혜성과 성간 물질 등은 SSSB(small solar system bodies)로 분류된다.
나머지 천체들의 질량은 태양계 내에서 매우 작은 값에 해당한다.
2006년 8월 국제천문연맹은
왜소행성을
정의하고 3개의 천체를 왜소행성으로 분류하였다.
화성과 목성 사이의 유성대(asteroid belt)에 있는 세레스(Ceres), 카이퍼 띠에 위치한 에리스(Eris, 혹은 Xena, 2003UB313의 명칭을 가지고 있음)와
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태양의 인력에 의해 공전하며 1개의 천체계를 구성하고 있다
태양계에는 수성, 금성, 지구, 화성, 목성, 토성, 천왕성, 해왕성 등 8개의 행성이 있으며
이에 딸린 달과 같은 32개의 위성과 1600개 넘는 소행성, 혜성, 유성 등이 있다.
파란 하늘과 신선한 공기, 드넓은 바다.
이것들로 우리 지구는 더욱 아름답고 생명력이 넘쳐나는 행성이 되었다.
이렇게 아름다운 지구와 같은 행성이 우리 태양계 안에 지구밖에 없을까?
없다면 왜 우리의 지구만 살기 좋은 행성이 된 걸까?
태양계 탄생 이전 두 개 이상의 별이 초신성 폭발을 하였다. 이때 우주로 흩어진 찌꺼기들은 서로간의 인력에 의해 서서히 끌려오기 시작한다.
이 찌꺼기들의 중심에 원시 태양이 형성된 다음 중심부의 온도가 천만 도까지 뜨거워지면 중심핵에서는 핵융합이 시작된다.
( 핵융합: 1억℃ 이상의 고온에서 가벼운 원자핵이 융합하여 더 무거운 원자핵이 되는 과정에서
에너지를 창출해 내는 방법으로, 이 과정을 이용하여 수소폭탄이 만들어졌다.)
이 때 태양 표면의 수소는 양전하와 전자로 분리되어 초속 수백km의 속도로 날아가게 된다. 이것을 태양풍이라고 한다.
(태양풍: 태양에서 우주 공간으로 쏟아져나가는 전자, 양성자, 헬륨 원자핵 등으로 이루어진 대전 입자의 흐름을 말한다.
태양으로부터 1AU의 거리에서 1 ㎤ 당 1~10개의 입자를 가지고 있으며, 평균 속도는 500km/s이다.
태양표면에서 폭발이 발생하면, 속도는 2,000km/s에 이르며 이온화 가스의 흐름이 지구를 덮으면서 자기 폭풍을 일으킨다.)
이 태양풍에 의해 태양으로 끌려가던 나머지 찌꺼기들 중 밀도가 작은 수소, 헬륨 같은 기체성분은 태양풍의 영향을 받아 밖으로 밀려나게 된다.
행성들의 탄생
짙은 가스와 먼지들로 가득했던 태양계가 태양풍에 의해 안개가 걷히듯이 맑아지기 시작하는 것이다.
태양에 아주 가까이 있는 작은 암석들은 태양의 중력에 의해 태양으로 떨어져 전부 불타버리고
나머지 암석들은 태양주위를 공전하다 서로 충돌하여 크기가 점점 커지게 된다.
질량이 큰 암석 덩어리일수록 주변의 작은 암석을 끌어들이는 인력이 크기 때문에 더 빨리 성장한다. 이때를 원시 행성의
탄생이라고 할 수 있다.
이 원시 행성의 표면에는 여전히 암석 조각들이 초속 수십km의 속도로 떨어지는 에너지와
암석 속의 방사성 원소들의 붕괴로 인해 원시 행성의 온도는 점점 올라가게 된다.
원시 행성의 온도가 암석의 녹는점보다 더 높아지면 원시 행성은 녹기 시작하여 전체가 마그마가 되어 버린다.
행성 전체가 용융 상태가 되어 중력에 의해 평형을 이루면 행성은 비로소 구의 형태를 가지게 된다.
암석으로 된 행성들이 구를 만들 수 있었던 것은 이러한 과정이 있었기 때문에 가능한 일이었다.
행성 전체가
마그마가 되면 철과 니켈과 같은 무거운 원소들은 중심으로 가라앉아 핵을 만들게 되고 규소와 산소는 밖으로 떠올라 맨틀을 만들게 된다.
그리고 가장 바깥부분의 껍데기는 냉각되어 원시 지각이 형성된다.
지구와 닮은 행성들
태양계 안쪽에 수성, 금성, 지구, 화성이 이와 같은 과정으로 만들어져 이들을 지구와 닮았다고 해서 지구형 행성이라고 한다.
지구형 행성들의 특징을 하나씩 알아보면 다음과 같다.
수성
먼저 수성은 태양에 가장 가까운 행성이며 지구형 행성 중에서 크기가 가장 작은 행성이다.
중력이 지구의 38% 정도 밖에 되지 않아 대기를 잡고 있을 힘이 약한데다, 수성은 태양이 가깝기 때문에 낮에는 지표 온도가 500°C가 넘어
대기 분자들의 운동이 너무 활발해져서 조금씩 대기를 잃게 되었다.
현재의 수성은 대기를 전부 잃고 바람한 점 없이 수많은 운석 구덩이들을 그대로 간직한 채 낮에는 500°C가 넘고
밤에는 영하 100°C 이하로 떨어지는 일교차가 가장 큰 행성이 되었다.
금성
금성은 크기와 질량, 구성 물질이 지구와 가장 비슷하다.
지구에서 일어나는 판의 운동에 의한 지각 변동이 태양계 행성 중에서 유일하게 금성에서도 일어나고 있다.
짙은 이산화탄소 대기로 덮여 있는 금성의 표면 기압은 90기압에 이르는데 이는 1㎡당 약 900톤이 넘는 무게에
해당한다.
이산화탄소가 온실 효과를 일으킨다는 사실은 많이 알고 있을 것이다.
금성은 이산화탄소의 농도가 매우 높기 때문에 온실 효과가 극대로 나타나 밤에도 기온이 떨어지지 않고 항상 470°C
정도를 유지하고 있다.
금성에서 가장 이해하기 힘든 것은 자전 방향이다.
태양계의 천체들이 동시에 회전하면서 수축하여 만들어졌기 때문에 공전 방향과 자전 방향이 태양의 자전 방향과 전부 같아야 하는데
이 금성은 다른 천체들과 반대로 자전하고 있다.
소행성과 같은 천체의 충돌에 의해 거꾸로 자전하게 되었다는 영화같은 가설만 있을 뿐 아직까지 원인이 밝혀지지 않은 신비한 현상이다.
지구
지구는 태양계에서 선택받은 행성으로 액체 상태의 물이 존재함으로써 수많은 생명체들이 그 물을 이용하여 현재 열심히 살아가고 있다.
적절한 온실 효과로 생물이 살기 좋은 온도를 유지하고 있으며 오존층이 존재하여 자외선으로부터 지구의 생물들을 보호해 주고 있다.
지구의 자기장은 초속 400km가 넘는 강력한 태양풍으로부터 지구를 보호해 주고 있다.
이렇게 우리가 살아가는 데 안락한 환경이 자연적으로 만들어질 확률은 그 무엇과도 비교할 수 없을 만큼 매우 희박할 것이다.
화성
지구형 행성의 마지막 행성인 화성은 표면은 붉은 자갈로 뒤덮인 사막으로 되어 있고,
그 위로 과거에 물이 흘렀던 자국들이 아직까지도 아주 많이 남아 있다.
지구의 북극과 남극이 빙하로 덮여 있듯이 화성의 양극에도 드라이아이스와 얼음으로 이루어진 극관이 있다.
(극관: 화성의 극에서 얼음으로 덮여 하얗게 빛나 보이는 부분을 말한다.
남북 양극에서 동시에 볼 수 없기 때문에 수증기가 교대로 극을 이동한다는 설, 드라이아이스로 구성되었다는 설, 수증기에 의한 눈이라는 설 등이 있다.)
극관의 크기가 주기적으로 변하는 것으로 보아 화성에도 계절 변화가 나타남을 알 수 있다.
화성은 0.01기압의 대부분이 이산화탄소로 된 희박한 대기를 가지고 있지만, 수증기가 거의 없기 때문에 기상 현상은 일어나지 않는다.
비슷한 과정에 의해 탄생한 행성들 중에서 왜 지구에만 액체 상태의 물이 존재하고 생명체가 편안하게 살아가고 있을까?
앞서 원시 행성들의 표면이 지각이 된다고 하였다.
지각이 형성되는 시기부터 지구형 행성 4형제의 운명이 나뉘기 시작한다.
먼저 수성은 껍질의 마그마가 식어
지각이 되기 전에 태양 활동이 본격적으로 시작되어
태양의 막대한 에너지에 의해 수성의 껍질이 증발해 버리는 기이한 현상이 나타난다.
중앙에 핵을 만든 다음 수성 표면에서 마그마가 증발하여
현재의 수성은 핵과 맨틀의 비율을 다른 지구형 행성들과 비교해 보면 맨틀이 상대적으로 적게 나타난다.
대기가 전혀 없고, 600도가 넘는 일교차를 갖는 수성의 환경은 생명체와는 너무나 거리가 먼 곳이다.
한편,
금성, 지구, 화성의 원시 행성은 마그마가 식어가면서 엄청난 화산가스들을 뿜어내는데 이 화산 가스에 의해 대기의 밀도는 점점 높아지게 된다.
화산 가스 중에서 상당량을 차지하고 있는 수증기가 대기 중에 지속적으로 공급되어 금성, 지구, 화성은 수증기로 가득 차게 된다.
대기 중에 수증기가 더 이상 들어갈 수 없으면 구름이 만들어지기 시작한다.
구름이 하늘에 떠있을 수 없을 정도로 커지면 비가 오기 시작한다.
엄청나게 많은 양의 비가 내려 낮은 곳에 모이게 되면 바다가 만들어지게 되는데 이러한 바다가 만들어지는 과정은 지구와
화성에서 동일하게 나타난다.
그러나 금성은 기온이 지구보다 높기 때문에 비를 뿌리려면 더 많은 수증기가 있어야 하는데 수증기의
공급이 부족하여 결국 비가 내리지 못했다.
금성의 대기 중에 기체 상태로 떠돌던 수증기들은 태양의 자외선에 의해 쪼개져 조금씩 우주로 날아가 지금의 금성에는 수증기가 거의 남아 있지 않다.
화산 가스에 의해 늘어난 이산화탄소 때문에 금성은 온실 효과가 점점 심해지고, 기온이 계속 상승하여 결국 현재는 약
470°C가 되었다.
그러면, 지구랑 똑같이 바다가 만들어진 화성은 어떻게 되었을까?
화성은 중력이 지구의 40%밖에 안 되기 때문에 액체 상태의 물은 바다를 이루어 화성에 붙어있을 수 있지만
상대적으로 가벼운 수증기들은 우주 밖으로 조금씩 빠져 나가기 시작한다.
지구의 바닷물은 증발하여 수증기로 되었다가 구름이 되고 비가 되어 다시 바다로 돌아오지만,
화성의 바다는 증발하였다가 전부 바다로 돌아가는 것이 아니고 일부만이 바다로 돌아가고 일부는 우주로 빠져 나가게 된다.
이러한 과정이 수억 년 동안 지속되어 화성의 바다는 지금처럼 말라 버린 것이다.
수증기뿐만이 아니고 다른
기체들도 우주로 빠져 나가 지금은 매우 희박한 공기만이 남게 되었다.
화성의 극관이 드라이아이스와 얼음으로 되어 있다고 했는데, 극관의 얼음이 녹으면 물이 되지 않느냐는 질문을 할 수 있다.
물은 1기압일 때 0°C에서 얼고, 100°C에서 끓게 되는데,
기압이 화성처럼 낮아지게 되면 물은 액체 상태를 거치지 않고 얼음에서 바로 수증기로 승화해 버린다.
기압이 높아지지 않는 한 액체 상태의 물이 존재하지 않기 때문에 인류가 화성으로 이동하여 살려면 기압을 높일 수 있는 방법부터 연구해야 할 것이다.
지구형 행성 수성, 금성, 지구, 화성은 태어나기는 같이 태어났지만
태양과의 거리, 중력 등이 각각 다르기 때문에 너무나 다른 모습으로 지금에 이르게 되었다.
화성보다 더 먼 곳으로
화성의 바깥쪽에는 20만 개 이상의 크고 작은 소행성들이 있는데, 이들은 목성의 인력에 의해 행성으로 성장하지 못한 것으로 추정하고 있다.
이 소행성은 너무나 많기 때문에 아직 이름이 없는 소행성들도 많이 있다.
그래서 세계의 수많은 천문학자들이 이 소행성을 찾기 위해 오늘 밤도 하늘을 관측하고 있을 것이다.
우리나라에서는 이태형 박사가 찾아낸 ‘통일’이란 이름을 가진 소행성이 있다.
소행성 너머의 행성들은 암석이
아닌 수소, 헬륨 같은 기체로 되어 있는데 이들은 목성과 성질이 비슷하여 목성형 행성이라고 부른다.
이 목성형 행성을 하나씩 살펴보면 다음과 같다.
목성
태양계 행성 중에서 가장 큰 목성은 태양을 제외한 태양계 전체 질량의 70%를 차지할 정도로 큰 천체이다.
목성은 빠른 자전에 의해 만들어진 가로줄 무늬가 특징인데, 목성의 대기의 대류에 의해 밝은 부분은 기체가 상승하는 부분이고,
어두운 부분은 기체가 하강하는 부분이다.
그리고 남반구 쪽에 커다란 타원이 보이는데 이를 목성의 대적반이라 부르고, 이는 지구의 태풍과 같은 대기의 소용돌이라고
한다.
그런데 목성의 태풍인 대적반의 크기가 지구 2개가 들어가고도 남는 크기라고 하니까 목성의 크기가 어느 정도인지 짐작할 수
있을 것이다.
보이저 탐사선에 의해 희미한 고리가 있는 것이 확인되었고,
위성은 갈릴레이가 관측한 이오, 유로파, 가니메데, 칼리스토를 포함하여 100개 이상이 관측되고 있는데
대부분이 소행성대에서 끌려와 형성된 것으로 추정하고 있다.
토성
행성중에서 가장 큰 고리를 가지고 있는 토성은 태양계에서 두 번째로 큰 행성이지만,
물에 띄울 수 있다면 물에 뜰 정도로 밀도가 가장 작은 행성이다.
토성의 고리는 먼지와 암석이 섞여있는 얼음으로 되어 있고, 태양계에서 가장 큰 위성인 타이탄이 이 고리 밖에서 토성을
공전하고 있다.
2005년 1월 호이겐스 호는 타이탄에 착륙하여 몇 장의 사진을 보내 왔는데,
이 사진으로 얼음들 사이로 액체 상태의 메탄으로 추정되는 액체가 흐르고 있다는 사실을 알아냈다.
태양계에서 지구 이외에 유일하게 표면에 액체가 흐르는 천체인 것이다.
따라서 생명이 존재할수도 있을 것이라고
생각하고, 현재 연구가 진행 중에 있다.
영하 178도의 척박한 환경이지만 이론적으로는 생물의 물질대사가 가능하다고 하니까 앞으로의 연구에 주목할 만하다.
천왕성과 해왕성은 이론으로 행성의 위치를 예언하여 발견된 행성들이다.
토성의 공전 궤도가 미지의 행성에 의해 흔들린다는 사실로 천왕성의 위치를 예언하게 되었고,
그 예언된 곳에서 1781년 허셜은 망원경을 이용하여 천왕성을 찾게 되었다.
그리고 프랑스 천문학자 르베리에와 갈레는 천왕성의 위치를 추적한 수십 년간의 자료를 바탕으로
천왕성의 공전 궤도가 흔들린다는 사실을 바탕으로 천왕성과 마찬가지로 해왕성도 찾아내게 되었다.
천왕성이 발견되고 거의 70년 후에 해왕성을 찾게 되었다.
이 두 행성은 점으로만 관측되다가 보이저 2호에 의해 생생한 칼라 사진으로 관측할 수 있게 되었다.
천왕성
천왕성은 토성과 마찬가지로 고리를 가지고 있으며 표면에는 특정한 무늬가 없는 것으로 알려졌다.
그러나 허블 우주 망원경이 지구 대기권 밖에서 고배율로 관측한 결과
천왕성의 표면에서 목성 대기에서 볼 수 있었던 가로 줄무늬가 있는 것이 확인되었으며, 현재까지 18개의 위성이 확인되었다.
천왕성의 가장 놀라운 특징은 누워서 공전하고 있다는 것이다.
천왕성이 이렇게 눕게 된 것도 금성과 마찬가지로 거대한 천체의 충돌에 의해 눕게 되었다는 이야기만 있을 뿐 아직 밝혀진 건 없다.
해왕성
해왕성도 보이저 2호에 의해 4개의 고리가 있음이 알려졌고, 표면에는 목성의 대적반과 같은 태풍이 있는데 대암반이라고 부른다.
위성은 토성의 타이탄과 같이 대기를 가지고 있는 트리톤을 비롯하여 8개를 가지고 있다.
목성, 토성,
천왕성, 해왕성, 이들 목성형 행성은 기체로 되어 있는 행성들로
태양계가 탄생할 때 태양에 도착하지 못한 기체들이 뭉쳐서 된 것으로 알려져 있다.
태양풍이 불기 시작하면서 태양계 안쪽에 있던 기체들은 태양풍에 밀려나가 목성이 만들어질 때 목성에 합쳐진 것으로 보고 있다.
그래서 목성이 태양계 행성 중 가장 큰 행성으로 성장할 수 있었을 것이다.
행성(Planet)에서 버려진 명왕성
행성의 정의는 2006년 국제 천문연맹에 의해 재정의 되었다.
첫째, 항성을 중심으로 공전하는 스스로 빛을
내지 못하는 천체
둘째, 자신의 중력에 의해 구형을 유지할 수 있는 질량이 큰 천체
셋째, 자신의 궤도에서 지배적인 역할을 할 수
있는 중력이 큰 천체
이상의 세 조건을 모두 만족하는 천체를 행성이라 정의하였다.
이에 해왕성 궤도를 넘나드는 9번째 행성이었던 명왕성이 행성에서 퇴출되게 되었다.
대신 첫째, 둘째 조건은 만족하고 셋째 조건을 만족하지 못하는 천체를 왜소 행성(dwarf planet)으로 추가 분류하였다.
이에 해당하는 천체는 세레스, 명왕성, 에리스 등이 있다.
목성형 행성 바깥쪽의 명왕성과 세나드 같은 작은
천체들은 주로 얼음으로 구성되어 있으며, 그 바깥쪽에 있는 카이퍼벨트라는 작은 천체들의 띠,
지구 - 태양 거리의 50,000배 정도 거리에 있는 혜성들의 씨앗들이라 할 수 있는 오르트 구름,
이들 천체들 전부 다 대부분이 얼음으로 되어 있는 생명이 존재하기는 힘든 천체들이다.
지구를 제외한 나머지 천체들은 대기가 없거나 온도가 너무 높거나, 너무 낮아 생명체가 살기에는 너무 어렵다는 것을 알 수 있다.
태양계(太陽系, 영어: Solar System)는 대략 46억 년 전 거대 분자 구름의 중력 붕괴로 형성된 태양과,
태양과 함께 태어나 태양의 중력에 붙잡혀 있는 주변 천체가 이루는 체계를 말한다.
소행성대(유성대)를 기준으로 안쪽에 있는 네 개의 작은 행성 수성, 금성, 지구, 화성, 즉 지구형 행성은 주로 암석과 금속으로 구성되어 있고,
바깥쪽에 있는 네 개의 큰 행성 목성, 토성, 천왕성, 해왕성, 즉 거대 가스 행성은 대량의 수소와 헬륨으로 구성되어 있으며, 지구형 행성보다 훨씬 무겁다.
태양계의 구성 천체로는 소천체로 이루어진 띠도 있다.
화성과 목성 사이에 있는 소행성대의 소천체 무리는 지구형 행성과 비슷하게 암석과 금속으로 구성되어 있다.
카이퍼대와 그 소집단 산란 분포대는 해왕성 궤도 너머에 있으며, 이곳의 천체는 대부분 물, 암모니아, 메탄 등이 얼어 있는 얼음으로 구성되어 있다.
이 띠 내에 있는 다섯 개의 천체 세레스, 명왕성, 하우메아, 마케마케, 에리스는 자체 중력으로 원형을 유지할 만큼 크다고 인정되어 왜행성이라고 불린다.
장주기 혜성의 고향 구실을 하고 있는 오르트 구름은 지금까지의 구역의 대략 천 배의 거리에 걸쳐 있다.
태양계 내에서 혜성, 센타우루스, 우주 먼지 같은 소천체는 이런 구역을 자유롭게 떠다닌다.
또한 태양으로부터의 플라스마 흐름인 태양풍은 태양권 내에서 항성풍 거품을 만들어 낸다.
행성 여섯 개(지구, 화성, 목성, 토성, 천왕성, 해왕성)와 왜행성 세 개(명왕성, 에리스, 하우메아)는 위성을 가지고 있다.
목성형 행성은 모두 고리를 가지고 있다.
수천 년 동안 인류는 (몇몇 주목할 만한 예외가 있지만) 태양계의 존재를 인식하지 못하였다.
그들은 지구가 우주의 중심에 있고 움직이지 않으며, 하늘에서 움직이는 다른 천체와는 절대적으로 다른 존재라고 믿었다.
인도의 수학자이자 천문학자인 아리아바타와 고대 그리스의 철학자 사모스의 아리스타르코스가 태양 중심의 우주론을 추측하기도 했지만,
태양중심설을 최초로 수학적으로 예측한 사람은 니콜라우스 코페르니쿠스다.
17세기에는 그 계승자 요하네스 케플러, 갈릴레오 갈릴레이, 아이작 뉴턴이 물리학에 대한 이해로 지구가 태양 주위를 움직이고,
행성은 지구를 제어하는 힘과 같은 힘으로 제어된다는 생각을 수용하였다.
좀 더 최근에는, 망원경 기술이 발달하고 무인 우주선을 사용할 수 있게 됨으로써,
다른 행성의 산맥이나 크레이터(crater, 구덩이) 등과 같은 지질학적 현상과 구름, 모래폭풍, 만년설 같은 기상학적 현상을 조사할 수 있게 되었다.
태양의 질량과 태양을 제외한 태양계 전체의 질량을 비교한 것.
파란색이 태양, 빨간색이 목성, 초록색이 토성이다. 토성보다 작은 천체는 이 그래프에 보이지 않는다.
태양계 행성의 질량 비교 그래프.
목성(청록)이 71%, 토성(주황)이 21%를 차지하고 있다.
0.1% 이하를 차지하는 수성과 화성은 이 그래프에 표시되지 않았다.
태양계의 중요 구성 요소인 G형 주계열성 태양은 현재까지 알려진 태양계 전체 질량의 99.86 퍼센트를 차지하며, 중력으로 태양계의 천체를 지배한다.
태양 주위 궤도를 선회하는 네 개의 거대 가스 행성은 태양을 제외한 태양계 질량의 99퍼센트를 차지하며, 그 중 90퍼센트를 목성과 토성이 차지한다.
태양계에서 태양, 목성, 토성을 뺀 질량은 행성급 천체(약 34 지구질량)와 오르트 구름(대충 3 지구질량), 카이퍼대(대충 0.1 지구질량),
소행성대(대충 0.0005 지구질량)까지 포함하면 반올림하여 약 37 지구질량이다.
이는 태양을 뺀 모든 태양계 천체 질량의 8.1퍼센트이다.
천왕성과 해왕성(약 31 지구질량)의 질량을 빼면, 남은 6 지구질량은 태양을 뺀 태양계 천체 질량의 1.3 퍼센트이다.
태양 주위를 궤도(작은 천체가 큰 천체의 둘레를 돌 때, 중력의 영향을 받아 그리는 원이나 타원 모양의 일정한 길) 선회하는 대부분의 큰 천체의 궤도는
지구 궤도, 황도와 거의 평행하다.
행성이 황도와 매우 가까운 데 비해 혜성이나 카이퍼대 천체는 그 각도가 두드러지게 크다.
모든 행성과 대부분의 다른 천체는 태양의 자전 방향(태양의 북극에서 보았을 때 시계 반대 방향)으로 공전한다. 하지만 핼리 혜성 같은 예외도 있다.
태양 주위 천체의 궤도를 케플러의 행성운동법칙으로 묘사할 수 있다.
케플러의 법칙에 따르면, 개개의 천체는 태양을 한 초점으로 하는 타원의 궤도를 따라 운동한다.
태양에 가깝고 작은 반장축을 가지고 있는 천체는 1년이 보다 짧다.
태양에서 천체가 가장 가까울 때의 점을 〈근일점〉, 태양에서 천체가 가장 멀 때의 점을 〈원일점〉이라고 한다.
천체는 근일점에서 가장 빠르게 운동하고, 원일점에서 가장 느리게 운동한다.
행성의 궤도는 원형에 가까운 타원이지만, 혜성이나 카이퍼대 천체 등의 궤도는 길쭉한 타원형이다.
특히, 세드나는 엄청나게 찌그러진 타원형 궤도를 가지고 있다.
많은 태양계 모형에서는 행성 간의 거리가 너무 멀기 때문에, 그 거리를 왜곡하여 행성간의 거리를 거의 같게 해 놓은 것을 볼 수 있다.
하지만 현실은 몇몇 예외를 빼면, 태양에서 더 먼 행성이나 대(帶)일수록 안쪽의 궤도와의 간격이 더 넓다.
예를 들어, 금성은 수성보다 대략 0.33 천문단위(AU) 더 바깥에 있지만, 토성은 목성보다 4.3 AU 바깥에 있고, 해왕성은 천왕성보다 10.5 AU 바깥에 있다.
천문학에서는 태양계의 거리를 측정할 때 보통 천문단위(AU)를 사용한다. 1 AU는 지구와 태양 사이 거리의 평균값인 149,598,000 km이다.
명왕성은 태양에서 38 AU 떨어져 있고, 목성은 5.2 AU 떨어져 있다. 1 광년은 63,240 AU이다.
궤도 간 거리의 상호 관계의 규칙을 명확히 하려는 시도가 있었지만(티티우스-보데의 법칙), 아직까지 인정된 이론은 없다.
티티우스-보데의 법칙(Titius–Bode law)은,
태양계 행성의 태양계 중심으로부터의 위치에 대한 규칙으로, 비텐베르크대학의 수학 교수 티티우스(J. D. Titius)가 1766년에 발견하고,
베를린 천문대장 보데(Johann Elert Bode)에 의해서 1772년에 공표되었다.
지구를 제1번 행성으로 하고, 그 평균 거리를 1 AU(=1억 4,960만 km)로 나타내면 제 n번 행성의 평균거리 a는 다음 공식으로 나타낼 수 있다.
1 티티우스-보데의 법칙에 근거하여 발견된 세레스는 1801년부터 1860년대까지 행성으로 간주되었으며,
명왕성은 1930년부터 2006년까지 행성으로 간주되었다.
현재는 둘 다 왜소행성으로 분류된다.
2 명왕성에 대해서는 티티우스-보데 법칙에 따른 거리와 실제 거리의 차이가 상당히 크지만,
해왕성을 빼고 명왕성을 7번째로 볼 경우 실제 거리 39.46과 이론 거리 38.8은 단 1.62%의 오차 밖에 나지 않는다.
티티우스-보데의 법칙과 태양계의 진화 이론이 관계가 있다면 이는 중요한 지적이 될 수 있다.
이 법칙을 보데가 발표했을 당시 세레스와 천왕성, 해왕성, 명왕성 등의 존재는 알려져 있지
않았으며,
이 법칙은 경험적으로 얻어진 것으로서 결코 이론적으로 유도된 것은 아니었던 만큼, 어디까지 이 법칙이 들어맞을 것인지 의심되고 있었다.
1781년에 새로운 행성인 천왕성을 발견했을 때, 그 평균 거리는 실제로 보데의 법칙의 제6번 행성과 일치하였다.
보데 등 6명의 독일 천문학자들은 당장에 제3번 행성의 수색 조합을 결성하였고, 1801년에 팔레르모 천문대장인 피아치가 이를 발견하여 세레스(Ceres)라고 이름을 붙였다.
세레스는 얼마 가지 않아 행방불명이 되었으나 카를 프리드리히 가우스의 궤도 계산에 의하여 조합원들의 손으로 1년 후에 재발견되었다.
세레스는 행성의 파편이라고도 볼 수 있는 소행성 제1호로, 제2호 이하가 차례로 조합원들의 손에 의해 발견되어 수를 늘려 갔다.
천왕성의 운동은 케플러의 법칙에서 약간 벗어나 있었다.
이 운동의 어긋남을 천왕성의 바깥쪽 제7행성의 인력 작용에 의한 것이라고 판단한 것은 그리니치 천문대의 아담스와 파리 천문대의 위르뱅 르베리에였다.
이들은 먼저 보데의 법칙에 따라 그 평균 거리를 추정하고, 이에 대하여 천체역학적인 정밀 계산을 했다.
르베리에의 예보에 따라 베를린 천문대의 갈레가 발견한 것이 태양계의 8번째 행성 해왕성이었다.
보데의 법칙은 아이작 뉴턴의 만유인력의 법칙으로는 끌어 낼 수 없으며, 태양계의 형성과 진화 과정에서 비롯된 법칙으로 보인다.
18세기에 에마누엘 스베덴보리와 이마누엘 칸트 등이 제창한 성운설(星蕓說) 이래 20건이 넘는 태양계 진화 가설이 제안되었고,
제러드 카이퍼나 오토 시미트가 제안했던 가설이 아직까지 고찰되고 있다.
태양계의 행성 대부분은 그 자신의 천체 체계를 가지고 있다.
행성 주위를 공전하는 천체는 자연 위성, 혹은 그냥 단순히 위성이라고 하는데, 그 중 몇은 행성보다도 크다.
대표적인 예로 가니메데가 있다.
가니메데(Ganymede) 또는 목성 III는 목성의 위성으로, 태양계의 위성들 중 가장 크다.
목성에서 평균 거리 순으로 일곱 번째이고, 갈릴레오 위성 중에선 세 번째에 위치한다.
공전 주기는 약 7일이며, 에우로파와 2:1, 이오와 4:1의 궤도 공명을 일으킨다. 가니메데의 지름은 5,262km로, 행성인 수성보다 8% 길지만, 질량은 수성의 45%에 불과하다.
태양계의 위성 중 두 번째로 지름이 긴 토성의 위성 티탄보다 2% 더 길다. 태양계의 위성 중 질량이 가장 크고, 달의 질량의 2.02배이다.
가니메데는 규산염과 얼음이 거의 같은 비율로 이루어져 있다. 구조는 잘 분화되어, 중심의 철핵, 액체 상태의 핵,
얼음과 지하 바다가 번갈아가며 여러층을 이루고 있는 바깥 부분으로 구성된 것으로 추정된다.
가니메데의 표면은 크게 두 부분으로 나뉜다. 어두운 부분은 40억 년 전에 생긴 충돌구와 함께 위성의 세 번째 층을 덮는다.
그보다 덜 오래된 듯한, 광범위한 균열과 능선이 가로지르고 있는 밝은 부분이 나머지를 덮고 있다.
밝은 지역의 균열과 능선의 원인은 밝혀지지 않았지만, 조석 가열에 의한 판의 이동 때문으로 여겨지고 있다.
가니메데는 태양계에서 자체 자기장이 있는 유일한 위성으로, 액체 핵의 대류 현상으로 발생하는 것으로 추정하고 있다.
약한 자기장은 목성의 커다란 자기장에 묻혀 장선의 요동으로 표시된다.
또한, 아주 옅은 산소 대기층이 있다. 이 대기 안에는 O(산소 원자), O2(산소 분자), 그리고 아마도 O3 (오존)이 있을 것이다.
또한, 약간의 수소 원자가 대기에 있다. 이 대기권이 전리층을 포함하는지는 확인되지 않았다.
가니메데는 갈릴레오 갈릴레이가 1610년 1월 7일에 처음으로 발견하였다.
위성의 이름은 천문학자인 시몬 마리우스가 제안했다. 가니메데의 어원은 그리스 신화에서 그리스 신들의 술시중을 든 인물이자 제우스가 연정을 품은 가니메데스(Γανυμήδης)이다.
파이어니어 10호 이래로 탐사선들이 가니메데를 세밀하게 관찰하였다.
보이저는 행성의 크기를 새로 재었고, 갈릴레오 탐사선은 자기장과 지하 바다를 발견하였다.
목성을 향한 다음 탐사 계획으로는 2022년에 발사될 예정인 유럽우주국의 목성 얼음 위성 탐사선(JUICE)이 있다.
이 탐사선은 갈릴레오 위성 중 세 개의 얼음 위성을 근접 통과하며, 감속한 후 가니메데 선회 궤도에 진입할 예정이다.
대형 위성은 대부분 동주기자전을 하며, 모행성을 향해 영구히 한쪽 면만 보인다.
또한, 네 개의 거대한 행성 목성형 행성은 행성 주위를 선회하는 작은 입자의 얇은 띠인 행성 고리를 가지고 있다.
태양계에 대한 용어
비공식적으로 태양계는 종종 여러 부분으로 나뉜다. 내행성에는 네 개의 암석 행성과 소행성대가 포함된다.
소행성대 너머 외행성에는 네 개의 가스 행성이 포함된다. 카이퍼대의 발견으로 태양계의 규모는 해왕성 너머 천체까지 미치게 되었다.
물리적, 동역학적 관점에서 태양 주위를 도는 천체는 행성, 왜행성, 태양계 소천체(small Solar System bodies)의 세 종류로 분류된다.
행성은 구형의 몸체를 이룰 정도로 충분한 질량을 가지면서, 공전 궤도상에 있던 자신보다 작은 모든 천체를 ‘빨아먹은’ 천체를 일컫는다.
이 정의에 따르면, 태양계에는 수성, 금성, 지구, 화성, 목성, 토성, 천왕성, 해왕성 8개의 행성이 있다.
명왕성은 궤도 근처에 있는 카이퍼대 물질을 빨아들여 커지지 못하여 위의 정의를 만족하지 못한다.
왜행성은 구형의 몸체를 이룰 정도로 충분한 질량을 가지면서 태양을 공전하고 있으나,
행성과는 달리 궤도 근처의 자신보다 작은 천체를 청소하지 못한 천체를 일컫는다.
이 정의에 따르면, 태양계에는 1 세레스, 명왕성, 하우메아, 마케마케, 136199 에리스 5개의 왜행성이 있다.
90377 세드나, 90482 오르쿠스, 50000 콰오아 등 다른 천체는 장래에 왜행성으로 분류될 가능성이 있다.
해왕성 횡단 영역 내를 돌고 있는 왜행성을 명왕성형 천체 또는 플루토이드로 부른다. 태양 주위를 돌고 있는 나머지 천체를 태양계 소천체로 부른다.
행성과학자들은 태양계 전역에서 발견되는 다양한 종류의 물질을 가스(기체), 얼음, 암석 등의 용어로 표현한다.
‘암석’은 원시 행성계 성운 내 거의 모든 상황에서 고체로 남아 있을 수 있는, 녹는점이 높은 혼합물을 말한다.
암석 물질은 보편적으로 규소와, 철이나 니켈과 같은 금속을 포함한다.
암석 물질은 내행성 지대에 흔하게 존재하며, 암석 행성과 소행성의 몸체를 구성하는 주요 물질이 된다.
‘가스’는 분자 수소, 헬륨, 네온 등 녹는점이 극도로 낮으며, 높은 증기압을 갖는 물질을 말한다. 이들은 성운 내에서 언제나 기체 상태를 유지한다.
가스 물질은 목성과 토성 등 ‘중간 지대’를 돌고 있는 행성의 대부분을 구성한다.
‘얼음’은 물, 메탄, 암모니아, 황화 수소, 이산화 탄소와 같은 물질로서, 녹는점은 수백 켈빈 정도이며, 환경상 압력과 온도에 따라 그 형태를 달리하는 물질이다.
이들 물질은 태양계 내에 얼음, 액체, 기체 등의 다양한 상태로 존재하고 있다. 성운 내에서는 고체 또는 기체 상태로 존재한다.
얼음 물질은 가스 행성의 위성 몸체 대부분, 천왕성과 해왕성(일명 ‘얼음 가스 행성’)의 내부 구성물 대부분,
해왕성 궤도 너머 수많은 작은 천체의 몸체 대부분을 구성하는 것으로 여겨진다.
가스와 얼음을 ‘휘발성 물질’로도 부른다.
태양
태양은 태양계의 중심에서 태양계 천체를 중력적으로 지배하며, 인류가 그 표면을 관찰할 수 있을 정도로 가까이 놓여 있는 유일한 항성이다.
그 질량은 태양계 구성 물질의 거의 전부를 차지한다.
막대한 질량(지구질량의 33만 2,900배) 때문에 태양 내부는 핵융합이 일어나기에 충분한 밀도가 유지될 수 있으며,
융합 반응을 통해 막대한 양의 에너지가 전자기 복사 형태로 우주 공간으로 방출된다.
전자기 복사 중 400~700 나노미터 띠 부분이 우리가 가시광선으로 부르는 영역이고, 인간의 눈으로 볼 수 있는 부분이다.
태양의 표면 온도는 약 5,800 켈빈으로 분광형상 G2 V에 속하는데, 이는 ‘질량이 큰 편에 속하는 황색 왜성’이다.
그러나 태양은 앞의 이름처럼 작은 별(왜성)은 아니다. 우리 은하에 속해 있는 모든 별 중에서 태양은 제법 무겁고 밝은 별이다.
헤르츠스프룽-러셀 도표는 항성의 밝기와 표면 온도를 각 축으로 삼아 항성을 평면 위에 표시하고 있다. 이 표에 따르면, 뜨거운 별은 대체로 밝다.
헤르츠스프룽-러셀 다이어그램.
초거성, 거성, 주계열성, 백색왜성 등이 표시되어 있다.
이 법칙을 따르는 별은 주계열로 불리는 띠 위에 몰려 있으며, 태양은 이 주계열 띠의 한가운데에 자리 잡고 있다.
그러나 태양보다 밝고 뜨거운 별은 드물며, 그 반대의 경우(적색 왜성, 오렌지색 왜성)는 흔하다.
적색 왜성의 경우 우리 은하 항성의 85퍼센트를 차지한다고 알려져 있다.
주계열 위에서 태양의 위치는 ‘생애의 한가운데’로 여겨지는데, 이는 태양이 아직 중심핵에 있는 수소로써 핵융합을 함으로써 모두 소진하지 않았기 때문이다. 태양은 천천히 밝아지고 있으며, 처음 태어났을 때의 태양 밝기는 지금의 70퍼센트 수준이었다.
태양은 종족 I 항성에 속하는데, 우주 진화의 후기 단계에 태어났으며, 따라서 수소 및 헬륨보다 무거운 ‘금속’을 이전 세대인 종족 II 항성보다 많이 품고 있다.
수소 및 헬륨보다 무거운 원소는 오래전 폭발한 무거운 별의 중심핵에서 만들어진다.
따라서 우주가 태어난 뒤 생겨난 1세대 항성의 내부에는 이러한 무거운 원소가 없었을 것이며,
1세대가 죽음을 맞으면서 우주에는 무거운 물질이 흩어지게 되었다.
태양에 이처럼 무거운 원소가 풍부하다는 사실은 태양 주위에 행성계가 형성되어 있는 현실과 밀접한 연관이 있어 보이는데,
그 이유는 행성은 중원소 물질이 중력으로 뭉치면서 태어나기 때문이다.
행성간 매질
태양권 전류편
태양은 빛과 함께 대전된 입자, 즉 플라스마의 지속적인 흐름인 태양풍을 발산한다.
이 입자의 흐름은 시속 150만 킬로미터의 속도로 퍼져나가, 희박한 태양권을 만드는 데 최소한 100 AU까지 퍼져나간다. 이것이 행성간 매질이다.
태양 표면에서 일어나는 태양 플레어나 코로나 질량 방출과 같은 지자기 폭풍은 태양권을 어지럽히고 우주 기후를 만들어 낸다.
태양권 내에서 가장 거대한 구조물은 태양의 회전 자기장으로 인해 행성간 매질에 생성되는 나선형의 태양권 전류편이다.
지구 자기장은 태양풍이 지구의 대기를 벗기는 것을 막아 준다.
금성과 화성은 자기장을 가지고 있지 않기 때문에 태양풍이 대기를 우주 공간으로 차츰 새나가게 하고 있다.
태양풍과 지구 자기장의 상호 작용은 대전된 입자를 지구의 초고층 대기에 직각으로 흐르게 하는데, 이 상호 작용으로 자기극 근처에서 오로라가 만들어진다.
우주선은 태양계 외부가 그 기원이다. 태양권이 태양계를 부분적으로 보호하고, 행성의 자기장(자기장이 있는 행성의 경우에만) 또한 행성을 다소 보호해 준다. 성간물질 안에 있는 우주선의 밀도와 태양 자기장의 세기는 매우 긴 시간에 걸쳐 변화하고, 이에 따라 태양계 안의 우주 방사선의 수준도 변화한다.
그러나 얼마나 변화하는지는 알 수 없다.
내행성계
태양계의 안쪽인 내행성계는 지구형 행성과 수많은 소행성으로 구성되어 있다.
이들은 대부분 규산염과 금속으로 구성되어 있으며, 태양에 매우 근접해 있다. 안쪽 태양계 전체의 반지름은 목성과 토성 사이의 거리보다도 짧다.
지구형 행성
소행성은 태양계의 소천체로, 대부분 암석과 금속과 같은 휘발성 없는 광물로 구성되어 있다.
주(主) 소행성대는 화성과 목성 궤도 사이에 형성되어 있으며, 그 거리는 태양으로부터 2.3 ~ 3.3 천문단위이다.
이들은 태양계 생성 초기 목성의 중력 때문에 서로 뭉치지 못하여, 행성이 되는 데 실패한 존재로 여겨진다.
소행성의 크기는 수백 킬로미터에서 현미경으로 보아야 할 정도의 크기까지 다양하다.
가장 거대한 1 세레스를 제외한 모든 소행성은 태양계 소천체로 분류되나,
4 베스타와 10 히기에아 등은 유체정역학적 균형 상태에 있음이 증명될 경우 왜행성으로 재분류될 수 있다.
소행성대에는 지름 200미터 이상의 천체가 매우 많지만, 소행성대 천체의 질량을 모두 합쳐도 지구의 1천 분의 1을 넘지 못한다.
주 소행성대의 천체는 매우 산발적으로 흩어져 태양을 돌고 있어서, 우주 탐사선이 이 지역을 주기적으로 통과해도 충돌 사고는 발생하지 않는다.
지름이 10 ~ 10-4 미터 사이인 소행성을 유성체라고 부른다.
세레스
주 소행성대에 있는 소행성은 공전 궤도의 특성에 따라 소행성군과 소행성족으로 분류된다.
소행성 위성은 자기보다 큰 소행성을 도는 소행성을 가리키는 말이다.
종 위성과 주인 소행성의 크기는 평범한 위성과 행성만큼 차이가 나지 않으며,
경우에 따라서는 종과 주인의 크기가 거의 같을 경우도 있다(이는 행성-위성의 관계보다는 쌍성계와 더 비슷하다).
소행성대에는 지구에 물을 공급한 원천일 가능성이 있는, 주띠 혜성이 있다.
주띠 혜성은 주띠 소행성내에서 궤도 운동을 하는 천체로 그들의 궤도의 일부에서 혜성의 활동을 보인다.
대부분의 궤도가 목성의 궤도 바깥에 있는 대부분의 혜성과는 달리 주띠 혜성은 소행성 띠내에 거의 원형 궤도를 따르며 많은 표준 소행성과 구분이 어렵다. 약간의 짧은 주기의 혜성들이 반주축이 목성의 궤도 훨씬 안쪽에 있는 한편, 주띠 혜성은 작은 궤도 이심률과 행성 공전 평면에 대한 기울기가 주띠 소행성과 거의 같다. 세가지 알려진 주띠 소행성은 모두 주띠의 바깥부분내에 궤도운동 한다.
혜성이 낮은 이심율의 소행성 궤도를 가지게되었는지는 알려져 있지 않다. 다른 혜성과는 달리 주띠 혜성은 현재의 위치 근처의 태양계 궤도의 내부에서 형성 되었다고 가정된다.
주띠 혜성은 근일점에서 혜성의 먼지 꼬리를 보인다. 그것은 한달이상 지속된다. 혜성이 지구 물의 근원이라는 가설도 있었다. 현재 세개가 확인되었다.
트로이 소행성군은 목성의 L4 또는 L5 점(공전 궤도상에서 행성을 이끄는 동시에 끌려가는 양상이 중력적으로 안정을 이루는 지점)에 있다.
‘트로이’는 다른 행성 또는 위성의 라그랑주점에 있는 작은 천체를 가리킬 때도 사용한다.
라그랑주 점(-點, Lagrangian point) 또는 칭동점은 우주 공간에서 물체가 두 개의 큰 천체의 중력에 의지해 그 위치를 지킬 수 있는 5개의 위치들이다.
예를 들어, 인공 위성이 지구와 달에 대해 정지해 있을 수 있는 점들이다. 이는 우주에서 '고정된' 위치를 가지게 한다는 면에서 지구동주기궤도와 유사하다.
수학적으로, 라그랑주 점은 원형으로 제한된 삼체 문제의 정지해(stationary solution)이다.
예를 들어, 두 개의 질량이 큰 물체가 공통의 중심점을 가지며 원형 궤도를 움직일 때,
상대적으로 무시할 만한 질량을 가진 제3의 물체가 다른 두 물체에 상대적으로 동일한 위치를 유지하기 위한 지점은 5개가 있다.
두 질량이 큰 물체에 의한 중력과 궤도를 유지하기 위한 원심력은 라그랑주 점에서 평형을 이루며, 이에 따라 이 점에서 제3의 물체가 다른 두 물체에 대해 정지 상태에 있을 수 있다.
힐다 족은 목성과 2:3 궤도공명을 하는데, 이는 목성이 태양을 두 번 돌 때 힐다 족은 세 번 돈다는 뜻이다.
내행성 지대에도 떠돌이 소행성으로 불리는 천체가 많다. 이들의 궤도는 내행성의 궤도와 교차하고 있으며, 따라서 행성과 충돌할 가능성을 품고 있다.
외행성계
태양계의 바깥쪽 지대는 거대한 가스 행성과 행성급 덩치를 지닌 위성이 존재하는 곳이다.
센타우루스 족을 포함한 많은 단주기 혜성도 이 지역에 공전궤도를 형성하고 있다.
이들은 태양에서 매우 멀리 떨어져 있기 때문에, 물을 비롯한 암모니아, 메탄 등의 휘발성 물질이 천체에서 차지하는 비중이 지구형 행성에 비해 크다.
그 이유는 낮은 온도에서 이들 휘발성 물질은 고체 상태로 존재할 수 있기 때문이다.
목성형 행성
천왕성과 해왕성은 얼음 물질의 비중이 목성 및 토성보다 크다. 이들의 가스 성분은 질량의 약 10% 밖에 되지 않는다.
질량의 대부분은 얼음(메탄, 물 ,암모니아)이 주성분이다. 거대 얼음 행성이라고도 한다.
천왕성
보이저 2호가 촬영한 천왕성.
천왕성(태양에서의 거리 19.6 AU)은 외행성 중 가장 가벼운 가스 행성이다(지구의 14배).
천왕성의 자전축은 황도면에 대해 97.9도 기울어져 있어 태양을 마치 누운 상태로 도는 것처럼 보인다.
천왕성의 중심핵은 다른 가스 행성에 비해 훨씬 차가우며, 방출하는 열의 양도 매우 작다.
천왕성은 여러 위성을 거느리고 있다. 이 중 티타니아, 오베론, 움브리엘, 아리엘, 미란다가 큰 위성이다.
이 다섯 개의 큰 위성은 모두 단층, 능선, 절벽, 산맥, 화구, 범람의 흔적 등 혼란한 지형으로 가득 차 있다.
특히 미란다의 표면은 실제라고 믿기 힘들 정도로 불연속적이다.
해왕성
보이저 2호가 촬영한 해왕성.
해왕성(태양에서의 거리 30 AU)은 천왕성보다 지름은 약간 작으나, 좀 더 무거운(지구의 17배) 가스 행성이다.
따라서 해왕성의 밀도는 천왕성보다 조금 더 크다. 해왕성은 천왕성보다 많은 내부열을 발산하나, 그 양은 목성이나 토성에 비하면 작다.
해왕성 역시 13개의 위성이 주위를 돌고 있다. 그중 가장 거대한 트리톤은 액체 질소의 간헐천이 표면 곳곳에 있는 등 지질학적으로 살아있다.
트리톤은 태양계 위성 중 유일하게 역방향으로 어머니 행성을 공전하는 거대 위성이다.
다수의 소행성이 해왕성과 같은 궤도를 돌고 있는데, 이들을 해왕성 트로이족이라고 부른다.
이들은 해왕성과 1:1로 궤도공명을 한다.
혜성
혜성은 수 킬로미터 정도 크기의 휘발성 얼음 혼합물로 이루어진 태양계 천체이다.
혜성의 궤도는 매우 이심률이 큰데, 태양에 가장 가까워질 때는 내행성 궤도까지 들어왔다가 멀어질 경우 명왕성 바깥까지 물러나는 경우가 많다.
혜성 중에는 궤도경사각 값이 큰 개체가 많은데, 그중 공전 주기가 백 년이 되지 않는 단주기 혜성의 경사각은 중간 정도이다.
혜성이 내행성 궤도에 진입하면, 태양에 가까워지면서 일사량이 증가하기 때문에 얼음 상태로 존재하던 휘발성 물질이 증발하여 이온화,
‘코마’라는 이름의 꼬리처럼 생긴 구조를 형성한다.
코마는 눈으로도 볼 수 있는데, 이는 고대부터 인류가 혜성을 묘사할 때 사용된 강렬한 특징이었다.
단주기 혜성은 태양을 1회 도는 데 2백 년이 걸리지 않는다. 반면 장주기 혜성은 1회 공전에 걸리는 시간이 보통 수천 년은 된다.
단주기 혜성은 카이퍼대에서 태어나며, 헤일-밥 혜성과 같은 장주기 혜성은 오르트 구름에서 태어난다고 여겨진다.
크로이츠 선그레이저스와 같은 혜성군(群)은, 하나의 덩어리였던 천체가 쪼개져 생겨난 것으로 보인다.
공전궤도가 타원형인 일부 혜성은 태양계 바깥에서 태어나 태양계를 찾아온 경우도 있는데, 이들의 정확한 궤도를 알아내기는 쉽지 않다.
태양 주위를 많이 돌면서 휘발성 물질이 거의 다 증발한 늙은 혜성은 종종 소행성으로 분류되기도 한다.
센타우루스 족
센타우루스 족은 궤도 장반경이 목성(5.5 AU)보다 크고 해왕성(30 AU)보다 작은, 혜성 비슷한, 얼음으로 이루어진 천체이다.
지금까지 알려진 가장 거대한 센타우루스 족 10199 카리클로의 지름은 약 250킬로미터이다.
최초로 발견된 센타우루스 족 2060 키론은 혜성으로도 분류되어 왔는데(“95P/키론”이라는 명칭이 추가되었다),
이는 2060 키론이 여타 혜성과 마찬가지로 태양에 접근하면서 코마가 커지기 때문이다.
해왕성 궤도의 바깥쪽
해왕성 궤도 너머에 있는 해왕성 바깥 천체는 여전히 미지의 세계이다.
이 천체는 대부분 매우 작으며(가장 큰 것이 지구 직경의 5분의 1이고, 질량은 달보다도 작다), 암석과 얼음으로 이루어져 있다.
혹자는 이 구역을 “외태양계”(outer Solar System)라고도 하는데,
또 다른 사람들은 이 용어를 소행성대 너머의 구역(외행성계)을 가리킬 때 사용해, 혼동이 있다.
카이퍼대
카이퍼대는 소행성대와 비슷한, 파편 조각으로 이루어진 거대한 고리로, 주요 구성 물질이 얼음이라는 점이 소행성대와 다르다.
카이퍼대는 태양으로부터 30 ~ 50 천문단위 지역에 형성되어 있다.
카이퍼대의 천체는 대부분 태양계 소천체이나, 50000 콰오아, 20000 바루나, 90482 오르쿠스 등 덩치가 큰 천체는 왜행성으로 재분류될 가능성이 있다.
지름 50킬로미터 이상의 카이퍼대 천체는 대략 10만 개 이상일 것으로 여겨지나,
이들의 질량은 모두 합쳐 보았자 지구 질량의 1,000분의 1 ~ 100분의 1에 불과하다. 적지 않은 카이퍼대 천체는 자신만의 위성을 여럿 거느리고 있다.
카이퍼대 천체 대부분은 행성의 공전궤도면과 어긋난 궤도를 그리면서 태양을 돌고 있다.
3:2 공명 해왕성 바깥 천체와, 큐비원족을 보여주는 그림.
하우메아와 마케마케
하우메아와 그 두 위성.
마케마케의 상상도.
하우메아(태양에서의 평균 거리 43.34 AU)와 마케마케(평균 거리 45.79 AU)는 고전적 카이퍼대 내에서 가장 덩치가 큰 천체이다.
하우메아는 달걀 모양으로 생겼으며, 위성 둘을 거느리고 있다. 마케마케는 명왕성 다음으로 카이퍼대 천체 중 밝다.
둘의 이름은 원래 2003 EL61과 2005 FY9였으나, 2008년 왜행성으로 분류되면서 애칭을 얻었다.
이들의 궤도경사각(각각 28°, 29°)은 명왕성보다 더 크게 기울어져 있으며,
명왕성과는 달리 해왕성의 중력에 구속되어 있지 않아 고전적 개념의 카이퍼대 천체에 속한다고 볼 수 있다.
콰오아의 상상도.
50000 콰오아(Quaoar)는 해왕성 바깥 천체로 카이퍼 대를 이루고 있다.
2002년 캘리포니아 공과대학교의 차드 트루히요와 마이클 브라운이 팔로마 천문대에 있는 망원경을 이용해 발견하였다.
지름이 약 1250 킬로미터로 현재까지 발견된 카이퍼 대 천체 중에서 명왕성 다음으로 크다.
발견 당시 명왕성은 행성의 범주로 분류되었으므로, 콰오아는 발견된 소행성 중에는 가장 큰 천체였다.
이 후 콰오아보다 더 큰 에리스나 세드나와 같은 천체들이 발견되면서, 콰오아는 명왕성과 같은 왜행성을 포함하여 7번째로 큰 소행성으로 전락하였다.
임시명칭은 2002 LM60였으며, 콰오아라는 공식 명칭은 미국내 아메리카 원주민 통바족의 신화에서 유래했다.
지름이 94km 인 에이윗(Weywot)이라는 위성이 존재한다
산란 분포대
산란 분포대는 카이퍼대와 겹치나 훨씬 더 멀리 퍼져 있다. 이 지역은 단주기 혜성의 고향인 것으로 여겨진다.
산란 분포대 천체는 태양계 초기 역사 때 해왕성이 현재 위치로 물러나면서 중력적인 영향을 받아 지금의 혼란스러운 궤도를 형성하게 된 것으로 보인다.
대부분의 산란 분포대 천체(SDO)는 태양과 가장 가까울 때는 카이퍼대와 비슷한 곳을 도나, 멀어질 때는 150 천문단위까지 물러난다.
산란 분포대 천체의 궤도는 황도면에 대해 크게 기울어져 있으며, 심지어 거의 수직에 가까운 부류도 있다.
일부 천문학자는 이 산란 분포대가 단지 카이퍼대의 다른 영역에 지나지 않는다고 간주하기도 하며,
이런 취지에서 산란 분포대 천체를 ‘산란 카이퍼대 천체’로 부른다.
일부는 센타우루스 족을 산란 분포대의 바깥쪽 천체와 구별하여 ‘안쪽 산란 카이퍼대 천체’로 부르기도 한다.
에리스
태양계 외곽
태양계가 끝나고 성간 공간이 시작되는 경계선이 어디인지는 명확하게 정의되지 않았는데,
그 이유는 태양계의 경계면을 두 가지 다른 힘인 태양풍과 태양 중력이 형성하고 있기 때문이다.
태양풍의 영향이 미치는 곳은 대략 태양-명왕성 간 거리의 네 배 되는 곳으로, 이 태양권 계면을 성간 매질이 시작되는 곳으로 추측하고 있다.
그러나 태양의 힐 구(태양의 중력이 미치는 범위)는 이보다 천 배는 더 먼 곳까지 이르는 것으로 여겨진다.
태양권 계면
태양권 계면은 두 개의 별개 영역으로 나뉜다.
태양풍은 초속 400킬로미터 정도 속도로 우주를 여행하다가 성간 매질 영역에서 플라스마의 흐름과 충돌한다.
이 충돌은 말단충격에서 일어나는데, 말단 충격은 태양풍이 부는 방향으로 태양으로부터 80 ~ 100 천문단위,
반대 방향으로는 태양으로부터 200 천문단위 정도 거리에 위치해 있다.
이곳에서 태양풍은 급격하게 느려지며, 응축되고 요동쳐서 ‘헬리오시스’로 알려진, 마치 혜성의 꼬리와 비슷하게 생긴 거대한 타원형 구조를 형성한다.
헬리오시스는 태양풍이 부는 쪽으로는 40 천문단위 범위에 걸쳐 뻗어 있고, 반대쪽으로는 그 몇 배 길이로 형성되어 있다.
보이저 1호와 보이저 2호 둘 다 말단충격을 지나 헬리오시스에 진입한 것으로 보고되었으며, 각각 태양으로부터 94, 84 천문단위 거리에 있다.
태양권의 바깥 경계인 태양권 계면은 태양풍이 더 이상 불지 않고 성간(星間) 공간이 시작되는 경계이다.
태양권 바깥 경계의 모양은 유체 동역학에 따른 성간 매질과 태양풍의 상호 작용 결과로 보이는데,
이는 태양의 자기장이 북반구 쪽이 남반구보다 9 천문단위 더 멀리 뻗어 있는 모양과 비슷하다.
태양권 너머 약 230 천문단위 부근에는 태양풍이 항성 간 공간에서 성간 매질과 부딪치면서 발생하는 뱃머리 충격파 구조가 있다.
아직 태양권 계면 너머 공간에 진입한 우주선은 없기 때문에, 우리는 현재로서는 항성 간 공간이 어떤 상태에 있는지 정확하게 알 수 없다.
미국 항공우주국이 발사한 보이저 호 1호와 2호는 앞으로 10년 이내 태양권 계면을 통과하여,
복사 수준 및 지구로 돌아가는 태양풍에 대한 가치 있는 자료를 보내 올 것이다.
태양권이 태양계를 우주선으로부터 얼마나 잘 보호하는지에 대해서는 제대로 알려져 있지 않다.
미국 항공우주국으로부터 연구자금을 지원받은 한 팀이 ‘비전 미션’이라는 이름의, 태양권 너머로 탐사선을 보내는 계획을 추진해 오고 있다.
오르트 구름
오르트 구름은 무수한 얼음 천체로 이루어진 이론적인 구역으로 구형의 구름과 같은 형상이다.
이 오르트 구름은 장주기 혜성의 원천으로 추측되며, 태양에서 거의 5만 AU(대략 1광년(ly)이 조금 못 됨) 거리까지 둘러싸고 있으며,
멀게는 10만 AU(1.87 ly)까지 퍼져 있다.
이 구역은 목성형 행성의 중력적 상호작용으로 말미암아 태양계 안쪽에서 튕겨져 나간 혜성으로 구성되어 있는 것 같다.
오르트 구름의 천체는 매우 천천히 움직이며, 때에 따라서는 지나가는 다른 항성의 충돌이나 중력 작용,
우리 은하의 은하계 조력 등의 드문 현상으로 말미암은 섭동이 일어나기도 한다.
세드나
세드나(태양에서의 평균거리[항성 주위를 공전하는 천체는 완벽한 원 궤도가 아니라 타원 궤도를 돌기 때문에 평균 거리를 쓴다.
하지만 큰 천체(왜행성 이상)의 궤도가 대부분 원에 가까운 타원인데 비해
세드나는 이 평균거리도 근일점 및 원일점 사이의 거리가 400여 AU에 달할 정도로 엄청나게 궤도가 찌그러져 있다.] 525.86 AU)는 거대하고 불그스름한,
명왕성과 비슷한 천체로, 괴상하게 길쭉한 타원형의 궤도를 가지고 있다.
궤도가 너무 길어서 근일점에 도달했을 때의 거리가 76 AU인데 반해 원일점에서는 928 AU에 달하고, 궤도를 한 바퀴 다 도는 데에는 1만2050년이 걸린다. 2003년에 이 천체를 발견한 마이클 브라운은 세드나가 해왕성의 영향을 받기에는 근일점이 너무 멀기 때문에
산란 분포대나 카이퍼대에 속할 수 없다고 주장했다.
브라운과 다른 천문학자들은 세드나가 근일점이 45 AU이고 원일점이 415 AU,
공전 주기가 3420년인 (148209) 2000 CR105와 함께 새로운 집단에 포함된다고 간주한다. 브라운은 이 새로운 집단을 ‘안쪽 오르트 구름’이라고 이름지었다.
세드나는 그 생김새가 확실히 밝혀져야 할 필요가 있긴 하지만, 왜행성으로 추측되고 있다.
태양계의 끝
우리 태양계 대부분의 영역은 아직 미지의 세계이다.
태양의 중력장은 약 2광년(12만 5천 천문단위) 범위에 걸쳐 근처의 별들의 중력장을 압도한다.
반대로 오르트 구름의 반지름을 낮게 잡는 학설에 따르면, 태양계의 범위는 5만 천문단위를 넘지 않는다.
세드나 같은 천체의 발견에도 불구하고 카이퍼대와 오르트 구름 사이에 펼쳐진 수천 ~ 수만 천문단위의 광활한 영역은 아직도 전혀 알려져 있지 않다.
외부 영역 외에도, 그동안 자세히 알려지지 않았던 태양과 수성 사이 공간에 대한 연구가 현재 진행 중이다.
이렇게 알려지지 않은 지대에서 새로운 천체가 발견될 가능성이 있다.
은하적 맥락
우리 은하 내 태양계의 위치(노란색 점)
우리 은하계는 약 2천억 개의 별이 모여 있으며, 폭이 약 10만 광년인 막대 나선 은하인 우리 은하 내에 자리 잡고 있다.
우리 태양은 오리온 팔로 불리는, 은하 바깥쪽 나선팔 내에 있다.
태양은 은하핵으로부터 25,000 ~ 28,000 광년 거리만큼 떨어진 곳에 놓여 있으며, 초당 220킬로미터 속도로 공전하고 있다.
이 속도에 따르면, 태양이 은하 중심핵을 1회 도는 데에는 2억 2,500만 ~ 2억 5,000만 년이 걸린다.
이처럼 은하 중심을 1회 도는 시간을 ‘태양계의 은하년’이라고 한다.
태양향점(태양이 성간 우주를 거쳐 나아가고 있는 방향)은 허큘리스자리 근처로, 밝은 별 베가의 현재 위치 방향이다.
은하 내 태양계의 위치는 지구에서 생명체가 태어나 진화하는 데 중요한 요인이 되었을 것이다.
은하핵을 중심으로 하는 태양계의 궤도 모양은 원에 가까우며, 나선팔과 비슷한 속도로 중심부를 돌고 있다.
이는 태양계가 위험스러운 초신성 폭발이 잦은 나선팔을 잘 통과하지 않는다는 의미로,
지구는 오랜 시간 동안 생명체의 진화가 안정적으로 이루어질 시간을 확보할 수 있었다.
또한 태양계는 항성이 우글거리는 은하 중심부로부터 넉넉히 떨어져 있다.
은하 중심부는 근처 항성이 중력적으로 서로를 당기기 쉽기 때문에, 오르트 구름과 같은 작은 천체의 궤도를 흔들어, 그들이 내행성을 향해 낙하하여,
지구 생명체의 전멸을 가져올 수 있는 파멸적인 충돌 사건을 일으킬 확률을 높일 것이다.
또한 은하 중심부에서 나오는 강렬한 복사 에너지는 복잡한 형태의 생명체가 진화하는 데 걸림돌로 작용할 것이다.
심지어 일부 과학자는 지구의 현재 위치는 안전한 곳이 아니며,
태양계 근처에서 그리 오래 되지 않은 과거에 초신성이 폭발하여 방사능이 함유된 먼지 입자와 그보다 좀 더 큰 혜성 비슷한 물질이 지구를 향해 분출되었고, 이 물질은 지난 3만 5천 년 동안 지구 생명체에 부정적인 영향을 가져왔다는 가설을 주장하기도 한다.
이웃 항성계
우리 태양계와 바로 닿아 있는 이웃을 국부 성간 구름으로 부르고 있다. 이곳은 국부 거품으로 알려진, 짙거나 또는 성긴 성간 구름이 펼쳐진 영역이다.
국부 성간 구름의 폭은 약 300광년이며, 허리가 잘록한 모래시계처럼 생겼다.
거품은 그리 오래 되지 않은 과거 초신성 여러 개가 폭발했었다는 증거가 되는, 높은 온도의 플라스마로 가득 차 있다.
태양으로부터 10광년 이내 범위에는 이웃 별이 몇 개 없다.
가장 가까운 이웃 별은 센타우루스자리 프록시마로 태양으로부터 4.2광년 떨어져 있으며,
중력으로 프록시마와 연결되어 있으리라고 추측되는 센타우루스자리 알파 A, B 항성계가 4.4광년 거리에 있다
(이런 이유로 프록시마를 센타우루스자리 알파 C로 부르기도 한다).
A와 B는 가까이 연결되어 있는 쌍성으로 태양과 비슷하며, 프록시마는 적색 왜성으로 매우 어둡다.
그 다음으로 태양과 가까운 항성은 적색 왜성 바너드 별(5.9광년), 울프 359(7.8광년), 랄랑드 21185(8.3광년)이다.
10광년 이내에서 가장 밝고 무거운 이웃 별은 8.6광년 떨어진 시리우스로, 질량이 태양의 2배 가까운 주성 A와 짝별 백색 왜성 B 두 개로 구성되어 있다.
10광년 내 나머지 별로는 적색 왜성 쌍성으로 구성된 루이텐 726-8(8.7광년), 홀로 있는 적색 왜성 로스 154(9.7광년)가 있다.
태양처럼 홀로 있으면서 비슷한 G형 주계열성 중 가장 가까운 별은 고래자리 타우로 11.9광년 떨어져 있다.
이 별의 질량은 태양의 80퍼센트이며, 밝기는 60퍼센트 정도이다.
태양으로부터 가장 가까운 외계 행성은 태양보다 어둡고 가벼운 K형 항성 에리다누스자리 엡실론을 돌고 있으며 10.5광년 떨어져 있다.
엡실론 주위에는 한 개의 행성 에리다누스자리 엡실론 b의 존재가 확인되어 있는데, b의 질량은 목성의 1.5배에 어머니 항성을 6.9년에 한 바퀴 돈다.
외계 행성계
데카르트와 칸트, 라플라스(1796년)의 이론과 관찰에 바탕을 둔 과학적 첫 이론이 제시되었다.
이 이론에 따르면, 느리게 회전하는 가스와 먼지의 구름덩어리가 냉각되고 중력으로 말미암아 수축하였고,
수축함에 따라 이는 더 빠르게 회전하게 되었고, 회전축을 따라 평평해졌다.
이는 결국 질량중심 주변을 자유궤도로 도는 적도 물질로 구성된 렌즈형의 모양이 된다.
그 후 물질들은 여러 고리에 응집된다. 응집된 덩어리들은 각각 조금씩 다른 비율로 궤도를 돌면서 각각의 고리에서 초기 행성을 형성하게 된다.
초기 행성의 수축에 기초를 둔 축소판 과정을 통해 위성이 형성되며, 최초의 먼지와 가스 덩어리의 중심 덩어리가 수축하여 태양이 형성된다.
행성과 태양이 하나의 과정에서 함께 형성되는, 이 일원론적인 이론은 치명적인 결점이 있다.
이 이론은 태양계의 대부분의 각운동량이 태양 안에 있다고 제안하고 있다. 그러나 실제로 그렇지 않다.
태양계 질량의 99.86%의 질량을 가진 태양은 태양계 형성 시의 각운동량의 오직 0.5%만을 가진다.
그 외 나머지 각운동량은 행성의 궤도에 포함된다. 이로 인해 19세기의 모든 이론은 성공적이지 못했다.
비록 과학적 원리에 바탕을 한 이론일지라도 관찰된 내용과 일치하지 않았고, 결국 폐기되어야 했다.
조우설
성운설 이후 제임스 진스(1917년)가 태양과 행성이 다른 과정을 통해 형성되었다는 이원론을 제시하였다.
이에 따르면, 태양을 지나쳐간 한 무거운 항성이 태양으로부터 주기적으로 변동하는 가는 실을 뽑아내게 된다.
중력적으로 불안정한 필라멘트는 부서져 각각의 압축물이 초기 행성을 형성한다.
이 초기 행성은 태양 주변을 지나쳐 멀어져가는 항성에 의해 끌어당겨져, 태양을 중심으로 한 궤도에 남게 된다.
최초의 근일점을 지날 때에 위의 축소판 과정이 일어나 초기 위성을 형성하게 된다.
이 이론은 처음에 좋은 평가를 받았으나, 곧 문제가 발견되었다.
해럴드 제프리(1929년)는 순환의 개념에 대한 수학적인 논의에 근거해서,
태양과 비슷한 실질 밀도를 가진 목성의 경우 비슷한 회전 주기를 가져야 한다고 주장했다.
또한 헨리 노리스 러셀(1935년)은 태양으로부터 빠져나온 물질이 태양 반지름의 4배 거리(=수성 궤도 안) 이상 가지 못한다는 것을 증명해 냈다.
이것은 각운동량에 관한 또 다른 문제였다.
그 뒤 라이먼 스피처(1939년)는 태양에서 나온 물질이 목성의 질량을 가지게 된다면, 이는 106K의 온도를 가지게 되며,
이 경우 행성으로 수축하기보다는 폭발한다는 것을 계산해 냈다.
이후 태양의 핵반응으로 즉각 소모되었을 리튬과 베릴륨, 붕소가 지구의 지각에서 발견된다는 것과 관련한 반대 주장이 등장하였다.
항성과 항성 사이 공간은 매우 넓기 때문에 원시 태양과 다른 별이 만날 확률이 극히 희박하다는 것도 문제점 중 하나이다.
라플라스와 진스의 이론은 과학에 바탕을 두고 있지만, 결국 과학적 비판에 굴복되었다. 비록 다른 종류이기는 하지만,
두 이론 모두 각운동량 문제를 가지고 있었다. 그럼에도 불구하고 두 이론이 제시한 새로운 생각은 현대 이론의 기반이 된다.
현대 이론
부가 이론
1944년에, 소련 유성기어장치 과학자 오토 슈미트와 유리 등은 새로운 종류의 이원적인 이론을 제안하였다.
그는 망원경을 통한 관찰 결과를 바탕으로 저온 고밀도의 구름덩어리가 은하에서 형성된다고 주장했다.
이때, 포획된 물질은 처음에는 태양 주위를 타원 궤도를 그리며 회전하다가 차츰 원 궤도로 전환되었다는 것이다.
그 결과, 입자 간의 충돌의 횟수가 증가하게 되면서 입자의 크기도 커지고 서로의 인력도 커지게 되어 점점 크게 성장했다는 것이다.
또한 그는 원시 태양이 이 구름덩어리를 지나가면서 이 먼지-가스 덩어리를 포획한다고 주장하였다.
슈미트는 에너지를 고려할 때에, 두 개의 고립된 천체가 있으면, 한 천체의 구성 물질은 다른 천체에게 포획되지 않는다고 믿었으며,
또한 일부 에너지를 제거하기 위해서 3번째 천체, 즉 다른 별을 도입했다.
세 번째 천체의 필요로 말미암아 이 이론은 다소 타당성을 잃었지만, 슈미트의 주장은 구름덩어리가 광범위한 지역에 있었고,
‘구름덩어리+별’이 다체형 시스템(Many-body system)처럼 행동한다는 것에서부터 타당성을 가지지 못했던 것이다.
솜뭉치/초기 행성 이론
1960년에, 윌리엄 맥크레아(William McCrea)는 행성의 형성이 성단의 형성과 연결된다는, 또한 태양의 느린 회전을 설명할 수 있는 이론을 제안한다.
맥크레아의 이론은 거대한 집단을 형성하는 가스와 먼지의 구름덩어리에서 시작된다.
이 이론에 따르면, 난류로 말미암아 가스의 흐름끼리 충돌이 생기면, 평균 이상의 밀도 지역을 형성하게 되는데,
솜뭉치로 지시된 이 고밀도 지역은 구름덩어리를 통과해 움직이면서 충돌할 때마다 합쳐진다.
그 뒤 거대한 집합체가 형성되면, 이는 다른 솜뭉치를 끌어들여서 초기 항성을 형성하게 된다.
무작위로 어느 방향에서나 초기 항성으로 솜뭉치가 합쳐져 들어가면서, 초기 항성의 최종 각운동량은 작아지게 된다.
이 이론의 기본 전제조건에서는, 각 솜뭉치는 지구의 약 3배의 질량을 가지고 있었다.
그래서 목성과 같은 거대한 행성을 형성하기 위해서는 많은 수의 솜뭉치가 결합해야 했었다.
행성을 형성 할 이 집합체는 현재의 행성의 각운동량보다 훨씬 큰 각운동량을 가지고 있었다.
맥크레아는 이 명백한 한계점을 오히려 강점으로 변화시켰다.
초기 행성이 수축하면서 이는 회전적으로 불안정해졌을 것이며, 이 상태에서 초기 행성은 아마도 질량비 8:1의 두 개의 부분으로 갈라졌을 것이다.
질량중심과 관련하여 더 빨리 움직이는, 상대적으로 작은 부분이 대부분의 각운동량을 가지고 태양계로부터 탈출했을 것이다.
분리된 두 부분의 연결부에서 작은 응축 덩어리가 형성되고, 이것이 큰 부분에 의해 위성 중 하나로 남게(유지) 되었을 것이다.
맥크레아는 지구형 행성을 설명하기 위해서, 위와 같은 분열 과정이 초기 행성의 고밀도 핵에서 일어났다고 가정해야 했다.
그래서 태양계 안쪽 부분에서는 큰 탈출 속도를 가진, 두 부분 모두 태양계 안에 남아서 지구-화성 쌍과 금성-수성 쌍을 형성했다고 주장한다.
이 이론은 몇몇 매개변수를 현재의 태양의 수치에서 가져왔고,
다른 매개변수는 태양-행성-위성 시스템을 이 이론이 가장 잘 설명할 수 있게끔 선택한 값이었다.
그럼에도 불구하고 이 이론은 심각한 문제점을 가지고 있다.
솜뭉치 모양의 먼지-가스 덩어리는 불안정하며, 솜뭉치의 충돌과 다음 충돌 사이의 시간보다 짧은 수명을 가지고 있었다.
따라서 솜뭉치의 충돌과 행성의 형성이 이 이론대로 진행되지 않는다는 것이다.
현대 성운설
최근 가장 이상적으로 평가받고 있는 태양계 기원설로서, 라플라스의 이론에 근간을 두고 있는 이론이다.
그 시작은 가스와 먼지로 된 불균질한 성운이다.
현대 성운설에 따르면, 태초의 이 성운은 난류 현상으로 자전 운동을 하게 되고, 각운동량을 가지게 된다.
각운동량은 그 값이 물체의 질량과 그것의 분포도, 회전 속도에 따라 달라진다.
따라서 물체의 질량이 중심에서 멀리 떨어져 분포하거나 회전 속도가 빠른 경우에 그 값이 커진다.
만약에 회전하는 물체의 크기가 작아지면, 분포도가 감소하여 각운동량의 값도 감소할 수밖에 없지만,
동일한 각운동량의 값을 보존하기 위해서 물체는 더 빨리 돌게 된다.
성운은 자체의 인력으로 말미암아 수축하게 되고, 이러한 수축이 진행되면,
성운은 자전 때문에 타원형을 이루면서 각운동량을 보존하기 위하여 자전 속도가 빨라지게 된다.
그 결과 성운 중심부의 밀도는 급속히 증가되어 질량이 큰 덩어리가 형성되는데, 이것이 원시 태양이다.
원시 태양은 중력 수축을 함으로써 막대한 열을 방출하게 된다.
동시에 수축한 성운은 밀도가 증가함에 따라 수많은 먼지입자와 얼음조각, 이산화탄소, 암모니아, 메탄 등과 함께 섞여서 큰 입자를 형성하게 되고,
이들 입자가 수십 억 개 모여서 소행성 크기의 미행성이 형성된다.
미행성은 서로의 강한 중력으로 끌어당겨져 충돌함으로써 급격히 성장하게 된다. 이 과정을 통해 원시 행성이 형성된다.
물론 현대 성운설이 가장 이상적이고 합리적인 이론이라 평가는 받고 있지만, 이 역시 한계를 드러내는 점이 있다.
우선, 최초의 성운에서 난류 현상이 강하게 일어남으로써 자전 운동이 일어나게 되지만, 이러한 난류가 강하게 일어날 경우,
입자가 모여들어 거대한 미행성을 형성하기 어렵다는 것이다.
그밖에도, 성운의 가스 덩어리의 소실 과정, 행성의 위치, 혜성과 소행성 등에 대한 명확한 해결이 이루어지지 못한다.
태양계의 탄생과 진화
여러 가지 태양계의 기원설이 제기되어 왔으며, 그중 앞의 현대 성운설에 따르면,
우리 태양계는 46억 년 전 거대한 분자 구름이 중력적으로 붕괴하면서 태어났다고 한다.
이 분자 구름의 폭은 수 광년 정도였으며, 아마 태양 외에도 같이 태어난 형제 별이 여럿 있었을 것이다.
훗날 태양계 부분이 될 태양 성운 지역이 붕괴되면서 각운동량 보존 법칙에 따라 물질이 뭉치는 부분은 점점 빠르게 회전하기 시작했다.
대부분의 질량이 모인 중심부 부분은 주변 원반 지대보다 훨씬 더 뜨거워지기 시작했다.
수축하는 성운이 회전하면서, 성운을 구성하는 물질은 약 200 천문단위 지름에 이르는 크기의 원시 행성계 원반으로 납작하게 공전면에 몰렸고,
뜨겁고 밀도 높은 원시별이 원반 중심에 자리 잡았다.
이 항성 진화 단계에서 태양은 황소자리 T형 항성의 상태에 이르렀으리라 여겨진다.
최근 여러 황소자리 T 항성을 연구한 결과 이들 주위에는 태양질량의 0.001~0.1배에 이르는 양의 물질이 원반 형태로 둘려 있으며,
물질 질량의 절대 다수는 중심부 항성에 집중되어 있음을 알게 되었다.
행성은 이 원반의 물질이 뭉쳐서 태어났다.
5천만 년 후 항성 중심부의 수소 밀도가 막대해져서 핵융합을 할 수 있을 수준이 되었다.
항성의 표면 온도, 반응 속도, 압력, 밀도는 태양이 유체 정역학적 균형 상태에 이를 때까지 계속 상승했다.
균형을 찾는 시점에서 태양은 성장이 막 끝난 젊은 주계열성이 된다.
태양계의 미래
우리가 알고 있는 태양계는 태양이 헤르츠스프룽-러셀 도표 위 주계열 띠를 떠나기 직전까지는 지금과 별 다를 바 없이 유지될 것이다.
그러나 태양이 죽음을 향해 진화하기 시작하면서 이 안정 상태는 깨진다.
태양이 중심핵에 있던 수소를 모두 핵융합 연료로 써 버리면, 중심핵을 지탱하는 에너지 산출량은 줄어들어 중심핵이 스스로 붕괴하게 만든다.
붕괴하면서 증가하는 압력은 중심핵을 뜨겁게 하여 연료는 더욱 빠르게 탄다.
이 결과 태양은 11억 년마다 10퍼센트 정도씩 밝아진다.
지금으로부터 약 54억 년 뒤 태양의 핵에 있던 수소는 완전히 헬륨으로 바뀌며, 주계열성으로서의 태양의 일생은 끝난다.
이 시점에서 태양의 반지름은 지금의 260배까지 부풀어 올라 적색 거성 단계에 돌입한다.
표면적이 막대하게 늘어나기 때문에 표면 온도는 크게 낮아져 2,600 켈빈 수준까지 내려가 붉게 보이게 된다.
이후 태양의 외곽층은 우주로 떨어져 나가고 중심부에 극도로 빽빽하게 압축된 백색 왜성만이 남는다.
이 천체 부피는 지구와 거의 비슷하지만, 질량은 태양의 절반이나 될 것이다.
떨어져 나간 외곽층은 우리가 행성상 성운이라고 부르는 구조를 형성할 것이며, 태양을 구성하고 있었던 물질 중 일부를 우주 공간으로 되돌려 놓을 것이다.
참고
천문 기호
셀레스티아 : 3D 우주 시뮬레이션 프로그램
셀레스티아(Celestia)는 3차원 우주공간 시뮬레이션 프로그램이다.
GPL 라이선스를 따르는 자유 소프트웨어이며 마이크로소프트 윈도, 리눅스, 맥 오에스 텐 등의 운영 체제와
OpenGL을 지원하는 개인용 컴퓨터에서 사용할 수 있다.
작은 인공위성이나 우주 정거장에서부터 행성, 항성, 은하를 포함하는 방대한 범위의 우주공간을 개인용 컴퓨터에서 볼 수 있다.
사용자는 간단한 조작으로 공간, 시간을 넘나들며 자유롭게 우주 공간을 탐색할 수 있다.
또한 기본 프로그램에 더해, 인터넷에 공개된 행성, 은하, 인공위성 등의 이미지나 위치자료,
스크립트 등 다양한 분야의 확장 데이터를 추가하면 더욱 다양한 환경을 시뮬레이션할 수 있다.
현재는 기술적인 한계 등으로 인해 우주의 모든 환경을 시뮬레이션하고 있지는 않다.
NASA와 ESA는 연구 분야에서 셀레스티아를 활용해오고 있으며, 대한민국 밖에서는 교육용 프로그램으로도 인기가 높다.
또한 셀레스티아에서는 부가 기능도 지원한다.
부가 기능은 celestia가 수시로 업데이트가 되지 않는 점을 고려하여 지원하는 기능으로서,
여러 셀레스티아의 사용자들이 만든 부가 기능을 자신의 컴퓨터에 깔려있는 셀레스티아에 손쉽게 깔 수도 있으며,
자신이 만든 부가 기능을 애드온 홈페이지에 올릴 수도 있다.
현재 버전은 1.6.1 버전까지 나와 있다.
또한 교육용 프로그램으로서 셀레스티아는 Celestia Educational을 애드온 홈페이지에 올려
Celestia를 교육용으로 쓰고자 하는 사람들에게 좀 더 다양한 우주에 대한 자료를 제공해 준다.
가족 사진 (보이저 1호)
가족 사진(Family Portrait) 또는 행성 사진(Portrait of the Planets)은
1990년 2월 14일 보이저 1호가 60억 킬로미터 거리에서 촬영한, 태양계 여섯 행성들의 사진이다.
가족 사진은 60개의 낱장을 조합한 것이다. 보이저 1호는 성간 영역으로 진입하기 전 최후로 이 사진을 남겼다.
이 중 지구 부분은 '창백한 푸른 점'이라는 이름이 붙은 유명한 사진이 되었다.
보이저 계획에서 화상 팀을 맡았던 천문학자 칼 세이건은 이 사진을 찍기 위해 여러 해에 걸쳐 동료들을 설득했다.
이 사진은 지구에서 60억 킬로미터 거리에서 촬영했으며, 촬영 당시 보이저 1호는 황도면에서 32도 떨어진 위에 있었다.
태양계를 아래로 내려다 보는 각도에 있었기 때문에 태양계의 6개 행성들을 찍을 수 있었다.
보이저 2호의 경우는 황도면보다 아래쪽을 향해 진행했으며 각도도 크지 않았기 때문에, 강렬한 태양빛에 가려 행성들을 촬영하기가 곤란했다.
모자이크 사진에는 여섯 개의 행성들이 찍혀 있다. 우측에서 좌측 순으로 해왕성, 천왕성, 토성, 태양, 금성, 지구, 목성이다.
이 사진은 실제 사람의 눈으로 보이는 것과는 다르게 찍혔다.
그 이유는 최대한 정교한 촬영을 수행하기 위해, 각 천체마다 다른 노출 시간 및 다른 필터를 사용했기 때문이다.
태양의 경우 강한 빛 때문에 촬상관에 손상을 주지 않기 위해, 가장 어두운 필터를 사용했고 노출 시간도 짧게 했다.
사진들 대부분은 와이드 앵글이었지만 태양 근처 행성들의 경우 좁은 앵글로 찍었다.
보이저 1호가 찍은 태양계의 여섯 행성 사진.
보이저 1호가 찍은 태양계의 여섯 행성 사진의 다이어그램
셀레스티아로 렌더링한 것이다.
반지름순 태양계 천체 목록
질량순 태양계 천체 목록
뉴허라이즌스 호
뉴 허라이즌스(New Horizons:'새로운 지평선'이라는 뜻)는 명왕성으로 향하는 NASA의 무인 탐사선이다.
명왕성과 그의 위성 카론, 히드라, 닉스, 케르베로스, 스틱스로 가는 첫 번째 무인 탐사선이 될 것으로 예상된다.
2006년 1월 19일 미국 플로리다 주 케이프커내버럴에서 성공적으로 발사되었으며, 2015년 7월 14일에 명왕성에 통과할 예정이다.
뉴 허라이즌스 호는 명왕성을 통과한 후, 카이퍼 대 안의 태양계 외곽 천체를 탐사 할 계획이다. 2014년 7월 2일부터 명왕성에서 3AU 안으로 들어갔다.
발사 될 때의 탈출속도가 16.26 km/s로 여태껏 인간이 만들어낸 물체중 가장 빠른것으로 기록되었다.
태양계를 빠져나가는 탐사선으로 다섯번째가 될 것으로 예상되고, 우주 탐사 역사상 두번째로 빠르다.
파이어니어 10호
파이어니어 10호(Pioneer 10)는 1972년 3월 3일 발사되어, 처음으로 소행성대를 탐사하고 목성을 관찰한 우주선이다.
1973년 12월 3일 목성에 접근하여 사진을 전송하였다. 1983년 6월 13일 해왕성의 궤도를 통과했다.
명왕성의 궤도이심률이 커, 당시에는 해왕성이 태양계의 가장 바깥 행성이었다.
정의에 따라서는 파이어니어 10호는 태양계를 벗어난 첫 우주선으로 볼 수도 있다. 하지만 아직 오르트 구름을 벗어나지는 못했다.
파이어니어 10호와 파이어니어 11호에는 인류가 외계의 지성체에게 보내는 메시지가 담긴 금속판이 함께 실려져 있다.
2003년 1월 23일 마지막 교신을 끝으로 파이어니어 10호는 통신이 두절되었다.
2006년 3월 4일, 최종 교신을 시도했으나 파이어니어 10호로부터 응답이 오지 않았다.
파이어니어 11호
파이어니어 11호는 목성을 두 번째로 탐사하고, 토성과 토성의 테를 처음으로 탐사한 우주선이다. 1973년 4월 6일 발사되었다.
1974년 12월 4일 목성의 구름에서 34,000 km 떨어진 거리를 통과했고, 1979년 9월 1일 토성의 구름에서 21,000 km 거리를 통과했다.
파이어니어 11호는 1974년 12월 1일에 목성 구름 위 42,900 km 상공을 지나가면서 500여장의 목성과 위성들의 사진을 전송하였다.
또한 파이어니어 11호는 목성의 자기장에 대한 정보와 태양풍과 목성 자기장의 상호작용에 관한 정보를 수집하여 전송하였다.
목성 탐사를 끝낸 파이어니어 11호는 1979년 9월 1일에 토성의 테를 3,500 km 까지 접근하여 통과하였다.
토성 탐사를 끝낸 파이어니어 11호는 우주 속으로 뛰어 들었다.
보이저 계획
보이저 계획(Voyager program; "여행자")은 목성, 토성, 천왕성, 해왕성(목성형 행성)을 탐사하기 위한 계획이다. 매리너 계획에 연계되었다.
이 계획에 의해 1977년 8월에 보이저 2호가 9월에는 보이저 1호가 발사되었다. 보이저 우주선은 카메라와 적외선측정기, 분광기, 원자로 등이 탑재되어 있다. 보이저 1호는 먼저 1979년 3월에 목성에 도착했고 그 뒤로 9월에 보이저 2호가 도착했다.
그 후로 보이저 1호는 토성에 탐사하던 중에 타이탄을 탐사하기 위해서 방향을 바꿔 영원한 우주 여행으로 떠난다.
지난 2005년 5월에 헬리오시스지역에 도달했고, 2006년 8월에 100AU 부근을 통과했다.
보이저 2호는 목성(1979년 7월), 토성(1981년 8월), 천왕성(1986년 1월 24일),
해왕성(1989년 8월 24일)에 도달하여 지금은 보이저 1호와 같이 우주 여행을 하고 있다.
2013년 6월 9일 KST 기준 15시 39분 현재 보이저 1호는 지구로 부터 18,497,217,104 KM, 123.64625925 AU 떨어져있다.
지구에서 보이저 1호의 거리를 왕복한다면 빛의속도로 34시간 16분 정도 소요된다.
보이저 2호는 15시 40분 현재 15,136,007,642 KM, 101.17796177 AU 떨어져있다.